Аналіз викидів вуглецю та загальних витрат на власність для проектування електроперетворювача

1. Огляд

Завдяки глобальному потеплінню, зменшення викидів парникових газів є критично важливим питанням. Значна частина втрат у системах передачі електроенергії походить від електроперетворювачів. Для зменшення викидів парникових газів у енергетичних системах необхідно встановлювати більш ефективні перетворювачі. Однак, більш ефективні перетворювачі часто потребують більше матеріалів для виробництва. Для визначення оптимального співвідношення втрат та вартості виробництва перетворювачів, метод повної вартості власності (TCO) є стандартною практикою в галузі. Формула TCO враховує ціну покупки (PP) та вартість втрат протягом планованого терміну служби продукту (PPL). Цей метод враховує вартість втрат за допомогою капіталізаційних коефіцієнтів (A, B).

Однак, цей підхід враховує лише прямі електричні витрати перетворювачів протягом їхнього планованого терміну служби. Непрямі впливи, що стосуються екологічних ресурсів, інфраструктури виробництва, встановлення та підтримуючих систем, не враховуються. Наприклад, ці електричні продукти часто модернізуються та/або переіспотребовуються після виходу з експлуатації. Взявши перетворювачі як приклад, 73% використаних матеріалів можна переробити, і цей відсоток можна збільшити, використовуючи нафтоподібну основу на натуральних естерах. Переваги переробки матеріалів та повторного виробництва не враховуються.

Вуглецевий слід є ще одним показником для визначення екологічного впливу електричного обладнання протягом його терміну служби. На даний момент немає широко прийнятого методу для обчислення вуглецевого сліду енергетичного обладнання. Різні інструменти для обчислень часто дають значно різні результати. У цій статті запропоновано метод аналізу вуглецевого сліду та застосовано його до оптимізації перетворювачів. Результативні перетворювачі порівнюються з тими, які базуються на методі TCO.

2. Метод Повної Вартості Власності

Формула TCO представляє вартість життєвого циклу продукту від закупівлі до фінального списання. Інший часто використовуваний термін — Вартість Життєвого Циклу (LCC). Основна мета полягає в тому, щоб порівняти перетворювачі на рівних основах для прийняття рішень про закупівлю. Стандартизована форма методу TCO під час фази тендеру така:

TCO = PP + A · PNLL + B · PLL    (1)

Де A — це коефіцієнт безнавантажених втрат (€/кВт), B — це коефіцієнт навантажених втрат (€/кВт), PNLL (кВт) — це безнавантажені втрати перетворювача протягом всього його життя, а PLL (кВт) — це навантажені втрати перетворювача протягом всього його життя.

З точки зору енергетичних компаній або промислових та комерційних користувачів, обчислення TCO також відрізняються. Процедури оцінки втрат перетворювачів енергетичними компаніями включають розуміння та оцінку загальної вартості втрат від генерації, передачі та розподілу, що призводить до складних формул обчислення. З іншого боку, процедури оцінки втрат перетворювачів промисловими та комерційними користувачами вимагають розуміння та оцінки цін на електроенергію протягом планованого часу використання перетворювача.

A. Деталі сценарію аналізу

Коефіцієнти (A, B) були обчислені для перетворювача потужністю 16 МВА, підключенного до сонячної електростанції (Рисунок 1). Ми використали стандартизований метод для визначення значень A та B у наших обчисленнях.

Для цього необхідно вирішити наступне рівняння:

3. Аналіз вуглецевого сліду

Наша мета — створити методологію для визначення та порівняння оптимального вуглецевого сліду (CF) для електроперетворювачів. "CF вимірює загальну кількість викидів двоокису виділеного прямо або опосередковано через діяльність або накопичену протягом життєвого циклу продукту." Це також може представляти загальну кількість викидів двоокису виділеного (CO2) та інших парникових газів (таких як метан, оксид азоту тощо), пов'язаних з продуктом. CF є підмножиною даних, покритих більш комплексним аналізом життєвого циклу (LCA). LCA — це міжнародно стандартизований метод (ISO 14040, ISO 14044), використовуваний для оцінки екологічних навантажень та використання ресурсів протягом життєвого циклу продукту. Тому CF — це аналіз життєвого циклу, обмежений лише викидами, що впливають на зміну клімату.

Існують два основні методи обчислення CF: аналіз процесів знизу вгору (PA) або аналіз вхід-вихід з розширенням екологічних факторів (EIO) зверху вниз. Аналіз процесів (PA) — це підхід знизу вгору, який враховує екологічний вплив окремого продукту від виробництва до видалення. Екологічний аналіз вхід-вихід (EIO) базується на підході зверху вниз для оцінки CF.

Алгоритм впливу атрибутів продукту (PAIA) надає універсальний метод для обчислення CF різних типів електричних продуктів, таких як освітлювальні прилади, обертальні електричні машини тощо. Цей метод обчислює CF двигунів під час виробництва, експлуатації та переробки. Однак, метод PAIA ще не був застосований до оцінки CF електроперетворювачів.

Крім того, економічні відбитки зазвичай порівнюються для довільно вибраних існуючих проектів (Рисунок 2), а не для двох оптимально спроектованих перетворювачів. Завдяки великому терміну служби електроперетворювачів, витрати, пов'язані з регулярними замінами, вимагають додаткових деталей та планових простоїв. Всі ці витрати не враховуються на фазі тендеру. Після впровадження принципів Промисловості 4.0 — прогнозного обслуговування — це можна обчислити з самого початку проектування обладнання.

3.1 Капіталізаційні коефіцієнти

Для цього ці капіталізаційні коефіцієнти такі:

Де r — це ставка дисконтування для інвестицій. Зазвичай вона коливається в межах 5-10%, і для наших розрахунків ми обрали 6,75%. У даному випадку очікуваний термін експлуатації трансформатора (t) становить 25 років. У формулі (4), p позначає річне споживання електроенергії на кВт максимальної потужності. Коефіцієнт навантаження представляє собою відношення максимальної потужності до номінальної потужності трансформатора (0,65). Коефіцієнт капіталізації (f) показує загальну майбутню вартість річних платежів, розраховану в поточній валюті. Поточна ціна електроенергії в Центральній Європі становить 0,05 євро (€/кВт·год). Коефіцієнт втрат при навантаженні (LLF) визначається як відношення середніх втрат потужності за період до втрат у момент пікового навантаження. Коефіцієнт навантаження (LF) — це середнє навантаження трансформатора протягом усього життєвого циклу, виражене у відсотках від середнього до максимального навантаження. У нашому випадку для фотоелектричних електростанцій LF=25%, отже LLF дорівнює 0,15625 (рисунок 1).

З рівнянь (4,5) можна розрахувати коефіцієнти капіталізації (A, B). У рівняннях (4,5) коефіцієнт 8760 означає кількість годин роботи трансформатора на рік. У рівнянні (B) розраховуються втрати при навантаженні. Серед усіх трансформаторів найбільш економічним і енергоефективним є той, що мінімізує загальну вартість володіння (TCO) (рисунок 2).

A. Цільова функція аналізу карбонового сліду

Аналогічно до формули TCO, можна ввести цільову функцію для оцінки карбонового сліду (CF) силових трансформаторів:

TCO2 = BCP + A* · PNLL + B* · PLL

де TCO2 — це розрахований карбоновий слід (г), BCP — карбоновий слід, розрахований на етапі виробництва пристрою. A* та B* — це коефіцієнти капіталізації для розрахунку викидів діоксиду вуглецю (кг/кВт) протягом запланованого терміну експлуатації трансформатора.

Для розрахунку аналогічних коефіцієнтів капіталізації враховуються три парникові гази (ПГ): діоксид вуглецю (CO2), метан (CH4) та закис азоту (N2O) для кожного виду палива, що використовується в енергосистемі. Оскільки, якщо ми розраховуємо з нульовими викидами від сонячних електростанцій, то отриманий трансформатор теоретично матиме мінімальну масу та максимальні втрати. Викиди метану та закису азоту перераховуються у викиди CO2 за еквівалентом шляхом множення на відповідні коефіцієнти глобального потепління (I):

де ei — це коефіцієнт викидів у одиницях (тСО2/МВт·год), тоді як eCO2,i, eCH4,i та eN2O,i — це коефіцієнти викидів діоксиду вуглецю, метану та закису азоту відповідно для досліджуваного виду палива (i), усі в одиницях (т/ГДж). Коефіцієнт 0,0036 використовується для перекладу ГДж у МВт·год. Для палива i, ni позначає коефіцієнт перетворення палива i в системі передачі (у відсотках %), а λi — відсоток втрат потужності для палива i в системі передачі. У цій роботі для розрахунків кожного виду палива використовується значення λi = 8%.

На основі даних про енергетичну структуру угорської енергомережі було розраховано значення A*=425 кгСО2/кВт та B*=66,5 кгСО2/кВт.

4 Модель трансформатора

Моделювання силового трансформатора базується на спрощеній активній частині з двома обмотками (магнітопровід і обмотки). Такий підхід широко використовується на етапах попередньої оптимізації проектування, оскільки розміри активної частини визначають загальні габарити трансформатора. Геометричні та електричні характеристики трансформатора моделюються за допомогою ключових проектних параметрів. Ці припущення є загальноприйнятими в галузі, забезпечуючи достатню точність оцінки втрат у міді та сталі, одночасно значно спрощуючи різні можливі конфігурації магнітопроводу та обмоток.

Модель попереднього проектування чітко визначає зовнішні межі основних активних компонентів, чого достатньо для попередніх розрахунків вартості. Розуміння цих ключових проектних параметрів прискорює роботу інженерів, а детальні проектні параметри можуть бути легко визначені за допомогою стандартних методик (рисунок 2). Виробники трансформаторів в Європі та Америці на практиці використовують оптимізаційні методи, засновані на метаевристичних алгоритмах.

5 Метаевристичний пошук

У моделі трансформатора використовується геометричне програмування, що вирішується метаевристичними алгоритмами для вирішення математичної моделі задачі оптимізації попереднього проектування. Два фактори визначають перевагу розв’язувачів геометричного програмування. По-перше, сучасні розв’язувачі геометричного програмування на основі внутрішньої точки є швидкими та надійними. По-друге, правила математичного моделювання геометричного програмування гарантують, що отримане рішення є глобально оптимальним. Вирази для обмежень рівності та нерівностей мають бути представлені за допомогою спеціальних математичних формул, що називаються одночленами (10) та позитивними поліномами (11).

Де ck>0, параметри α — дійсні числа, а значення змінних x мають бути додатними. Задачу оптимізації вартості трансформаторів корпусного типу можна сформулювати у спеціальній геометричній структурі. Однак цей математичний метод оптимізації не може бути застосований до трансформаторів броньового типу, оскільки для них існують жорсткі вимоги до імпедансу короткого замикання. Тому шляхом поєднання методу ГП з методом гілок і меж було отримано швидкий і точний метод розв’язання.

6 Результати та обговорення

A. Технічні характеристики тестового трансформатора

Оптимізаційні випробування були проведено на силовому трансформаторі з потужністю 16 МВА та співвідношенням напруг 120 кВ/20 кВ. Першою метою оптимізації був загальний витрати (TCO), а другою - мінімальний вуглецевий слід (CF). Частота мережі становила 50 Гц, з необхідним імпедансом короткого замикання 8,5%. Параметри були вибрані відповідно до стандартів. Вибрано метод охолодження трансформатора ONAN, при цьому температура оточуючого середовища була встановлена на 40 °C. Тому допустиме обмеження густини струму для основного витягу було встановлено на рівні 3 А/мм², а для витягу переключника підсилювача - 3,5 А/мм².

Низьковольтний (первичний) витяг був моделювано як спиралевидний витяг з CTC (неперервно переставлений кабель), а високовольтний (вторинний) витяг - як дисковий витяг з подвійними провідниками. враховуючи насичення матеріалу сердечника та перевищення напруги в мережі, максимальна щільність потоку була обмежена 1,7 Т. Мінімальні відстані ізоляції були вибрані на основі емпіричних правил. Вартість електросталі була встановлена на рівні 3,5 €/кг, а вартість матеріалу для витягу - 8 €/кг. Вуглецевий слід виробництва електросталі становив 1,8 кг CO2/кг, а для міді - 6,5 кг CO2/кг.

Результати оптимізації підсумовано в таблиці 2. З результатів видно, що оптимальна ефективність трансформатора при оптимізації CF нижча за ефективність після аналізу TCO. Напруга на обмотку трансформатора пов'язана з відношенням мідь-залізо, і значення в обох випадках майже однакові. Втрати в серцевині в обох випадках відносно невеликі, без значних відмінностей. Через мале LLF сонячних електростанцій, витрати на втрати в серцевині відносно великі порівняно з витратами на втрати завантаження. Основна різниця полягає у втратах міді, які значно менші, ніж у випадку TCO. Оскільки співвідношення цін на неметалеві та металеві видобутки вище, ніж співвідношення цін на матеріали серцевини та міді, а CF використаних матеріалів відносно вищий, ніж CF електричних втрат, алгоритм оптимізації схиляється до проектів з меншою кількістю міді для зменшення CF трансформатора. Через значну різницю між CF цін на електроенергію та CF видобутку міді/заліза, алгоритм улюблена менша, менш ефективна конструкція порівняно з розрахунками на основі TCO.

7 Висновок

На даний момент не існує готового, широко прийнятого методу визначення углівного сліду електротрансформаторів. У постекономічну епоху аналізи углівного сліду в літературі проводились на довільно вибраних парах трансформаторів. Однак великі електротрансформатори виготовляються на замовлення для різних економічних сценаріїв. Для порівняння оптимізованих конструкцій було проведено два проекту оптимізації на практиці. У першому випадку була проведена оптимізація TCO; у другому випадку був зменшений углівний слід трансформатора. Результати показують, що аналіз углівного сліду може давати трансформатори з нижчою ефективністю, ніж традиційні методи TCO. Це може бути пояснено тим, що екологічна вартість великих двигунів виробництва вища, ніж їх втрати в мережі. Дальніше дослідження може оцінити екологічний вплив часу виробництва, обслуговування, використання нових біорозкладних ізоляційних олій або переробки трансформаторів.